(57)【要約】【課題】内燃機関から熱負荷を受ける部品を適切に保護することができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関ＥＧから熱負荷を受ける部品１２７の温度を推定する温度推定手段１１と、前記部品の推定温度に基づいて前記部品に印加された熱負荷による被害度を演算する被害度演算手段１１と、前記被害度が所定値以上に達した場合に前記内燃機関に対する燃料噴射量を増量する制御手段１１と、を備え、被害度が大きいほど燃料噴射量の増量値を大きく設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から熱負荷を受ける部品の温度を推定する温度推定手段と、
前記部品の推定温度に基づいて前記部品に印加された熱負荷による被害度を演算する被害度演算手段と、
前記被害度が所定値以上に達した場合に前記内燃機関に対する燃料噴射量を増量する制御手段と、を備える内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記所定値が、触媒使用時間に応じて予め定められている請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記温度推定手段は、
前記部品の近傍に設けられて前記部品の環境温度を検出する温度センサと、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量センサと、
前記内燃機関の外部の環境温度を検出する外気温センサと、
前記内燃機関が搭載された車両の速度を検出する車速センサと、
前記車両に設けられたラジエータファンモータの回転速度を検出するファン回転速度センサと、を含み、
前記温度センサにより検出された部品の環境温度を、前記吸入空気量センサで検出された吸入空気量と、前記外気温センサにより検出された外部の環境温度と、前記車速センサにより検出された車両の速度と、前記ファン回転速度センサにより検出されたラジエータファンモータの回転速度とにより補正して前記部品の温度を推定する請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記被害度演算手段は、前記部品に印加された熱負荷の時系列データに基づいてサイクルカウントを行い、熱負荷振幅とその頻度を抽出し、これら熱負荷振幅とその頻度に基づいて累積損傷則により前記被害度を演算する請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記被害度の所定値からの超過量が大きいほど前記燃料噴射量の増量値を大きく設定する請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記部品の推定温度が所定温度以上に達した場合には、前記被害度の大きさに拘らず前記燃料噴射量を増量する請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気系の部品の熱疲労を検出する装置として、運転状態に基づいて部品の温度を推定し、推定された部品温度に基づいて部品の熱疲労に関する指数を求め、当該指数の積算値が閾値を超えると警告を発生させるものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８５１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した熱疲労の検出装置では排気系の部品が熱疲労を起こしても適切に保護できないという問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、内燃機関から熱負荷を受ける部品を適切に保護することができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、内燃機関から熱負荷を受ける部品の温度を推定し、当該推定温度に基づいて部品の被害度を演算し、当該被害度に応じて燃料噴射量を増量制御することによって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、部品の被害度に応じて燃料噴射量の増量制御を実行するので、内燃機関から熱負荷を受ける部品を適切に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態を適用した内燃機関を示すブロック図である。
【図２】図１のエンジンコントロールユニットの燃料噴射制御の一例を示すフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ３〜Ｓ７の燃料噴射制御の時間的制御内容を示すタイムチャートである。
【図４】図２のステップＳ９〜Ｓ１２の燃料噴射制御の内容を示すグラフである。
【図５】図２のステップＳ８の被害度をレインフロー法により演算する場合の例を説明するグラフである。
【図６】図５のレインフロー法による演算結果からマイナー則を用いて被害度を演算する場合の例を説明するグラフである。
【図７】図２のステップＳ１０で用いられる被害度超過量と燃料増量との関係の一例を示す制御マップである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施の形態を適用した内燃機関を示すブロック図であり、火花点火式エンジンＥＧに本発明の燃料噴射制御装置を適用した例を説明する。
【００１０】
図１において、エンジンＥＧの吸気通路１１１には、エアーフィルタ１１２、吸入空気流量を検出するエアフローメータ１１３、吸入空気流量を制御するスロットルバルブ１１４およびコレクタ１１５が設けられている。
【００１１】
スロットルバルブ１１４には、当該スロットルバルブ１１４の開度を調整するＤＣモータ等のアクチュエータ１１６が設けられている。このスロットルバルブアクチュエータ１１６は、運転者のアクセルペダル操作量等に基づき演算される要求トルクを達成するように、エンジンコントロールユニット１１からの駆動信号に基づき、スロットルバルブ１１４の開度を電子制御する。また、スロットルバルブ１１４の開度を検出するスロットルセンサ１１７が設けられて、その検出信号をエンジンコントロールユニット１へ出力する。なお、スロットルセンサ１１７はアイドルスイッチとしても機能させることができる。
【００１２】
また、コレクタ１１５から各気筒に分岐した吸気通路の燃料噴射ポート１１１ａに臨ませて、燃料噴射バルブ１１８が設けられている。燃料噴射バルブ１１８は、エンジンコントロールユニット１１において設定される駆動パルス信号によって開弁駆動され、図外の燃料ポンプから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定圧力に制御された燃料を燃料噴射ポート１１１ａ内に噴射する。なお、本発明では、燃料噴射バルブ１１８からの燃料が燃焼室１２３に直接噴射されるように設けてもよい。本発明は、エンジンＥＧから熱負荷を受ける部品が過熱状態になるのを防止するために燃料を増量し、燃焼温度を低下させることで当該部品を保護する制御を実行する。以下の実施の形態では、排気浄化触媒１２７を保護部品として説明するが、本発明では排気浄化触媒１２７の他、エンジンＥＧから熱負荷を受ける、吸気バルブ１２１、排気バルブ１２２、排気通路１２５に設けられた空燃比センサ１２６、酸素センサ１２８、排気温度センサ１４０などを保護部品としてもよい。この燃料増量制御の詳細は後述する。
【００１３】
シリンダ１１９と、当該シリンダ内を往復移動するピストン１２０の冠面と、吸気バルブ１２１及び排気バルブ１２２が設けられたシリンダヘッドとで囲まれる空間が燃焼室１２３を構成する。点火プラグ１２４は、各気筒の燃焼室１２３に臨んで装着され、エンジンコントロールユニット１１からの点火信号に基づいて吸入混合気に対して点火を行う。
【００１４】
一方、排気通路１２５には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出することにより排気、ひいては吸入混合気の空燃比を検出する空燃比センサ１２６が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。この空燃比センサ１２６は、リッチ・リーン出力する酸素センサであっても良いし、空燃比をリニアに広域に亘って検出する広域空燃比センサであってもよい。
【００１５】
また、排気通路１２５には、排気を浄化するための排気浄化触媒１２７が設けられている。この排気浄化触媒１２７としては、ストイキ（理論空燃比，λ＝１、空気重量／燃料重量＝１４．７）近傍において排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣを酸化するとともに、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行って排気を浄化することができる三元触媒、或いは排気中の一酸化炭素ＣＯと炭化水素ＨＣの酸化を行う酸化触媒を用いることができる。
【００１６】
排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の下流側には、排気中の特定成分、たとえば酸素濃度を検出し、リッチ・リーン出力する酸素センサ１２８が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。ここでは、酸素センサ１２８の検出値により、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を補正することで、排気浄化触媒１２７の劣化等に伴う制御誤差を抑制するため（いわゆるダブル空燃比センサシステム採用のため）に下流側酸素センサ１２８を設けて構成したが、空燃比センサ１２６の検出値に基づく空燃比フィードバック制御を行なわせるだけでよい場合には、酸素センサ１２８を省略することができる。
【００１７】
排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の入口近傍には排気温度を検出する排気温度センサ１４０が設けられ、その検出信号はエンジンコントロールユニット１１へ出力される。なお、図１において１２９はマフラである。
【００１８】
エンジンＥＧのクランク軸１３０にはクランク角センサ１３１が設けられ、エンジンコントロールユニット１１は、クランク角センサ１３１から機関回転と同期して出力されるクランク単位角信号を一定時間カウントすることで、又は、クランク基準角信号の周期を計測することで、エンジン回転速度Ｎｅを検出することができる。
【００１９】
エンジンＥＧの冷却ジャケット１３２には、水温センサ１３３が当該冷却ジャケットに臨んで設けられ、冷却ジャケット１３１内の冷却水温度Ｔｗを検出し、これをエンジンコントロールユニット１１へ出力する。
【００２０】
エンジンＥＧが搭載された車両のエンジンルームには、外気温センサ１４１が設けられ、エンジンＥＧの外部環境温度を検出しこれをエンジンコントロールユニット１１へ出力する。また、エンジンルームの前方にはエンジンＥＧの冷却水を冷却するためのラジエータ（放熱器）が搭載され、ラジエータファンを備えるが、このラジエータファンを駆動するラジエータファンモータには回転速度センサ１４２が設けられ、ラジエータファンの回転速度を検出しこれをエンジンコントロールユニット１１へ出力する。
【００２１】
既述したように、各種センサ類１１３，１１７，１２６，１２８，１３１，１３３，１４０，１４１，１４２からの検出信号は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなるエンジンコントロールユニット１１に入力され、当該エンジンコントロールユニット１１は、センサ類からの信号に基づいて検出される運転状態に応じて、スロットルバルブ１１４の開度を制御し、燃料噴射バルブ１１８を駆動して燃料噴射量と燃料噴射時期を制御する。
【００２２】
特に本例では、エンジンＥＧから熱負荷を受ける部品である排気浄化触媒１２７の推定温度から熱負荷に関する被害度を演算し、所定の上限被害度に達すると燃料噴射量を増量し、保護対象部品である排気浄化触媒１２７の過熱を防止する。増量制御の際は、燃料噴射量の基本値に対するオフセット補正やゲイン補正を採用することができる。なお、熱負荷に関する被害度の演算例は後述する。
【００２３】
図２はこの制御内容の一例を示すフローチャートであり、排気浄化触媒１２７の過熱を防止するための燃料の増量制御について説明する。この制御フローは短い演算サイクル周期で（例えば100msec毎に）繰り返し実行される。ステップＳ１では、排気温度センサ１４０により排気通路１２５の排気浄化触媒１２７の上流側近傍の排気温度を読み込み、エアフローメータ１１３により吸入空気量を読み込み、外気温度センサ１４１によりエンジンルーム内のエンジンＥＧの外部環境温度を読み込み、クランク角センサ１３１によりエンジン回転速度を介して車速を読み込み、ラジエータファン回転速度センサ１４２よりラジエータファン回転速度を読み込む。
【００２４】
ステップＳ２では、ステップＳ１にて読み込まれた排気温度、吸入空気量、外気温度、車速及びラジエータファン回転速度の各検出値に基づいて排気浄化触媒１２７の温度Ｔを推定する。排気浄化触媒１２７の温度は、排気温度センサ１４０の検出温度に対し、当該排気温度センサ１４０自体の応答遅れ補正と、吸入空気量による過渡応答補正と、外気温度，車速及びラジエータファン回転速度による雰囲気温度の補正を実行して求める。たとえば、吸入空気量が多いと過渡応答が速く、吸入空気量が少ないと過渡応答が遅い。また、外気温度が低い場合や車速が大きい場合やラジエータファン回転速度が大きい場合は、雰囲気温度により排気通路１２５が冷却される方向に作用するので排気温度をマイナス側に補正する。逆に外気温度が高い場合や車速が小さい場合やラジエータファン回転速度が小さい場合は、雰囲気温度により排気通路１２５が加熱される方向に作用するので排気温度をプラス側に補正する。
【００２５】
ステップＳ３では、ステップＳ２にて求めた排気浄化触媒１２７の推定温度Ｔと、予め設定された増量開始閾値とを比較し、推定温度Ｔが増量開始閾値以上である場合は、ステップＳ９の被害度の大きさに拘らずステップＳ５へ進んで燃料噴射量を増量制御する。以降の演算サイクルで、推定温度Ｔが増量開始閾値以上であり続ければ、ステップＳ５に進んで増量制御が継続される。これにより、耐熱性が限られた温度以下である触媒を含む排気浄化触媒１２７を適切に保護することができる。ステップＳ３にて推定温度Ｔが増量開始閾値未満である場合はステップＳ４へ進み、エンジンＥＧの運転状態（負荷）が燃料噴射量の増量制御領域、たとえば所定回転速度以上かつ所定トルク以上であるか否かを判断する。ステップＳ４にてエンジンＥＧの運転状態が燃料増量制御領域内にある場合はステップＳ６へ進み、燃料噴射量の増量制御中か否かを判断する。ステップＳ６にて燃料噴射量の増量制御中でない場合はステップＳ８へ進み、燃料噴射量の増量制御は実行しない。すなわち、運転条件が燃料増量制御領域内に入ったとしても、触媒推定温度Ｔが増量開始閾値を超えてステップＳ５を実行しない限り増量制御は開始されない。また、増量開始後は、触媒推定温度Ｔが増量開始閾値を下回ったとしても、燃料増量制御領域内から外れない限り、ステップＳ４からステップＳ６及びステップＳ７へと進んで増量制御が継続する。ステップＳ７では、ステップＳ５で設定した増量よりも少ない量の増量が実施される。運転状態が燃料増量制御領域内から外れると、ステップＳ４からステップＳ８へと進んで増量制御が終了する。この様子を図３に示す。
【００２６】
図３は、エンジン負荷が上昇して燃料増量制御領域に入り、排気浄化触媒１２７の推定温度が増量開始閾値に達すると、燃料噴射バルブ１１８からの燃料噴射量の増量制御を開始し、推定した排気浄化触媒１２７の温度が増量開始閾値以下になるまで増量大の制御を継続することを示す。ステップＳ４にてエンジンＥＧの運転状態が燃料増量制御領域内にない場合はステップＳ８へ進み、燃料噴射の増量制御は実行せず、通常のエンジン負荷に基づいた燃料噴射量とする。また、ステップＳ４にてエンジンＥＧの運転状態が燃料増量制御領域内にある場合はステップＳ６へ進み、燃料噴射量の増量制御中か否かを判断する。
【００２７】
ステップＳ６にて、燃料噴射量の増量制御中である場合はステップＳ７へ進み、燃料噴射量の増量を低減する。すなわち、図３に示すように燃料噴射量の増量制御を増量大→増量小に変更する。これにより、無駄な燃料噴射を抑制して燃費を向上させる一方で、再びエンジン負荷が上昇して排気浄化触媒１２７の推定温度が像了解し閾値を超えても迅速に対応することができる。
【００２８】
なお、ステップＳ６にて燃料噴射量の増量制御中でない場合はステップＳ８へ進み、それまで燃料噴射量の増量制御を行っていた場合はその増量制御を停止し、増量制御を行っていなかった場合は継続して燃料噴射量の増量制御は実行しない。
【００２９】
ステップＳ９では、排気浄化触媒１２７に印加された熱負荷による被害度を演算する。本例における被害度は、排気浄化触媒１２７に印加された熱負荷の時系列データに基づいてサイクルカウントを行い、熱負荷振幅とその頻度を抽出し、これら熱負荷振幅とその頻度に基づいて累積損傷則により被害度を求める。以下、その演算例を説明する。
【００３０】
まず、ステップＳ２の演算によって得られた推定温度の時系列データの一例を図５に示す。時系列データは、本例では例えば、１トリップ（イグニッションスイッチＯＮで運転を開始した後イグニッションスイッチＯＦＦで運転を終える迄の期間）毎にトリップ中の推定温度の経過を記録したものを採用している。時系列に沿って温度Ｔ０→Ｔ１→Ｔ２→Ｔ３→Ｔ４→Ｔ５→Ｔ６→Ｔ７→Ｔ８→Ｔ９→Ｔ１０という温度履歴を経たものとする。この推定温度の時系列データを、レインフロー法（雨だれ法）を用いてサイクルカウントし、熱負荷振幅とその頻度を抽出する。なお、サイクルカウントを行うアルゴリズムはレインフロー法にのみ限定されず、ピークカウント法、レベルクロッシングカウント法、ミーンクロッシングカウント法、レンジカウント法、レンジペアカウント法なども用いることができる。
【００３１】
レインフロー法により図５の温度履歴をサイクルカウントすると、図示する矢印１本が半サイクルに相当する。すなわち、Ｔ０→Ｔ１→Ｔ３の半サイクルと、Ｔ１→Ｔ２→Ｔ４→Ｔ８→Ｔ１０の半サイクルと、Ｔ２→Ｔ３（厳密にはＴ３の手前まで）の半サイクルと、Ｔ３→Ｔ４（厳密にはＴ４の手前まで）の半サイクルと、Ｔ４→Ｔ５の半サイクルと、Ｔ５→Ｔ６→Ｔ８（厳密にはＴ８の手前まで）の半サイクルと、Ｔ６→Ｔ７→Ｔ９の半サイクルと、Ｔ７→Ｔ８（厳密にはＴ８の手前まで）の半サイクルと、Ｔ８→Ｔ９（厳密にはＴ９の手前まで）の半サイクルと、Ｔ９→Ｔ１０（厳密にはＴ１０の手前まで）の半サイクルと、にカウントできる。このようにして熱負荷振幅とその頻度を抽出する。抽出された熱負荷振幅を縦軸の温度Ｔ、その頻度を横軸ｎとして図６の棒グラフに示す。図６の棒グラフは、排気浄化触媒１２７の使用時間（ライフ）に相関して増加するものであり、トリップ毎の時系列データから得られる熱負荷振幅の頻度を累積したものである。なお、図６は累積損傷則（修正マイナー則又はマイナー則）を用いた被害度の演算例を説明するための図であって、図５の具体的数値と図６の数値は対応しない。
【００３２】
図６の棒グラフは熱負荷振幅Ｔとその頻度ｎを示し、同図右の直線は当該排気浄化触媒１２７のＳ−Ｎ線図を示す。厳密には、Ｓ−Ｎ線図の傾きを疲労限度以下まで直線で延長したものである。このＳ−Ｎ線図は、該当する排気浄化触媒１２７を用いて実験的又はコンピュータシミュレーションにより予め求めることができる。そして、各熱負荷振幅がＳ−Ｎ線図と交わる点の頻度（繰り返し回数）をＮとすると、
［数１］
Ｄ＝（ｎ１／Ｎ１）＋（ｎ２／Ｎ２）＋…＋（ｎｍ／Ｎｍ）＝Σ（ｎｉ／Ｎｉ）
を排気浄化触媒１２７の熱負荷に関する被害度と定義し、Ｄ≧１の場合に、排気浄化触媒１２７が熱疲労により破壊するものとする。
【００３３】
図２のステップＳ９に戻り、熱負荷に関する被害度Ｄを演算したらステップＳ１０へ進み、演算された被害度Ｄと被害度閾値（図４及び図７では被害度コントロールライン）と比較する。図４に被害度閾値の一例を点線で示す。図４は排気浄化触媒１２７の使用時間（ライフ）に相関する累積の走行距離を横軸に、被害度Ｄを縦軸にプロットしたグラフであり、排気浄化触媒１２７が熱疲労により破損しない保証距離と被害度Ｄ＝１が対応する直線を被害度閾値（被害度コントロールライン）に設定した例である。勿論、これ以外の被害度閾値を設定してもよい。
【００３４】
そして、所定の走行距離間隔（時間間隔でもよい）で演算した被害度Ｄが被害度閾値を超えているか否かをステップＳ１０で判断する。被害度Ｄが被害度閾値以上の場合はステップＳ１１へ進み、被害度Ｄの被害度閾値からの超過量を演算し、図７に示す制御マップにしたがって増量値を求め、ステップＳ１２へ進んで燃料噴射量を増量制御する。すなわち、被害度Ｄが被害度閾値から超過すればするほど燃料噴射量の増量を大きく設定する。これにより、理想的な被害度Ｄの推移を実現し（被害度コントロールラインを辿らせて）、被害度が早く大きくなって触媒が早期に破損するのを防ぎつつ、一方で過剰な増量制御による燃費の悪化を防止して、効率的に排気浄化触媒１２７を保護することができる。
【００３５】
ステップＳ１０にて被害度Ｄが被害度閾値未満の場合はステップＳ１３へ進み、燃料噴射量の増量を低減する。ここでの低減は増量値＝０も含むものとする。これにより、不必要な燃料消費を抑制することができ、燃費向上に寄与することができる。本例では、触媒推定温度Ｔが増量開始閾値を超えている場合、増量の量が元々大きいことから被害度Ｄに基づく燃料噴射量の増量は行なっていないが、触媒推定温度Ｔが増量開始閾値を超えたことに基づく増量を行なっている場合にも、被害度Ｄに基づく燃料噴射量の増量を行なっても良い。
【００３６】
以上のとおり、本例の内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、熱負荷に関する被害度Ｄが被害度閾値以上になった場合に燃料噴射量の増量制御を実行するので、排気浄化触媒１２７などの熱負荷を受ける部品を適切に保護することができる。
【００３７】
また本例によれば、排気温度センサ１４０だけでなくエンジンＥＧの種々の環境温度を検出して排気浄化触媒１２７などの部品温度を推定するので、推定精度が向上すると同時に被害度の演算精度も向上する。これにより、排気浄化触媒１２７等の適切な保護と燃費向上が達成できる。
【００３８】
また本例によれば、被害度Ｄの被害度閾値からの超過量に応じて増量値を設定するので、被害度Ｄを被害度閾値に沿って制御することができ、その結果、排気浄化触媒１２７等の延命が図られる。
【００３９】
また本例によれば、被害度Ｄの値に拘らず、推定温度が増量開始閾値以上となったら増量制御を実行するので、熱負荷に弱い触媒が含まれていても排気浄化触媒１２７の破損を適切に防止することができる。
【００４０】
上記エンジンコントロールユニット１１は本発明に係る温度推定手段，被害度演算手段及び制御手段に相当し、上記排気浄化触媒１２７は本発明に係る部品に相当し、上記排気温度センサ１４０は本発明に係る温度センサに相当し、上記エアフローメータは本発明に係る吸入空気量センサに相当する。
【符号の説明】
【００４１】
ＥＧ…エンジン（内燃機関）
１１…エンジンコントロールユニット
１１１…吸気通路
１１１ａ…燃料噴射ポート
１１２…エアーフィルタ
１１３…エアフローメータ
１１４…スロットルバルブ
１１５…コレクタ
１１６…スロットルバルブアクチュエータ
１１７…スロットルセンサ
１１８…燃料噴射バルブ
１１９…シリンダ
１２０…ピストン
１２１…吸気バルブ
１２２…排気バルブ
１２３…燃焼室
１２４…点火プラグ
１２５…排気通路
１２６…空燃比センサ
１２７…排気浄化触媒
１２８…酸素センサ
１２９…マフラ
１３０…クランク軸
１３１…クランク角センサ
１３２…冷却ジャケット
１３３…水温センサ
１４０…排気温度センサ
１４１…外気温センサ
１４２…ラジエータファン回転速度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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